Борисенко В.Е. - Наноэлектроника (Теория и практика) (1051247), страница 40
Текст из файла (страница 40)
Молекула такой формы имела бы крайне напряженную структуру, и поэтому ее существование энергетически невыгодно. С точки зрения стабильности фуллерены могут быть двух типов. Границу между ними позволяет провести так называемое п1равило пзолырованиьтх пентагонов (ио1атедреитадоп гп1е), которое утверждает, что наиболее стабильными являются те фуллерены, в которых ни одна пара пентагонов не имеет смежных ребер (другими словами, пентагоны не касаются друг друга, и каждый пентагон окружен пятью гексагонами).
Если располагать фуллерены в порядке увеличения числа атомов углерода л, то фуллерен С~ является первым представителем, удовлетворяющим правилу изолированных пентагонов, а С,в — вторым. Среди молекул фуллеренов с и > 70 всегда есть изомер, подчиняющийся указанному правилу. Количество таких изомеров быстро возрастает с ростом числа атомов.
Найдено 5 изомеров для См, 24 для Сае и 40 для Сто. Изомеры, имеющие в своей структуре смежные пентагоны, существенно менее стабильны. Основными видами производных фуллеренов являются: — эндоэдральные фуллерены (заполненные фуллерены), образующиеся при внедрении примесных атомов в полость фуллеренов; — экзоэдральные фуллерены (фуллереновые аддукты), образующиеся при присоединении к фуллеренам примесных атомов и молекул; — гегерофуллерены (легированные фуллерены), образующиеся при замещении углеродных атомов в структуре фуллерена примесными атомами. Твердотельные композиционные материалы, образованные из фуллеренов, называют 1(вуллеритамн 9и(1епге). Кристаллический фуллерит, образованный фуллеренами Сао, имеет гранецентрированную кубическую решетку с постоянной решетки равной 1,42 нм.
Число ближайших соседей в нем 12, а расстояние между ними 1 нм. Между молекулами Сав в кристалле фуллерита существует слабая связь за счет ван-дер-ваальсова взаимодействия. Методом ядерного магнитного резонанса показано, что при комнатной температуре молекулы Сто вращаются вокруг положения равновесия с частотой 10" Гц. При понижении температуры это вращение за- дд Формирование и свойства наност унт и ваннык мате иолов 195 медляется.
При 249 К в фуллерите наблюдается фазовый переход первого рода, при котором гранецентрированная решетка трансформируется в простую кубическую. При этом объем фуллерита увеличивается на 1%. Кристалл фуллерита имеет плотность 1,7 г/смз, что значительно меньше плотности графита (2,3 г/см') и алмаза (3,5 г/смз). Фуллерены и их производные получают лазерным и электро- дуговым испарением и сжиганием графита, а также сжиганием углеводородов.
Содержание фуллеренов в продуктах конденсата (в графитовой саже) при оптимальных параметрах процесса может быть доведено до 20% от обшей массы израсходованного графита. Получение фуллеренов — дорогостоящий процесс не только из-за низкого выхода при сжигании углеродсодержащего сырья, но и за счет сложности выделения, очистки и разделения фуллеренов различных масс из образующейся при этом углеродной сажи.
Для выделения фуллеренов из углеродной сажи ее смешивают с толуолом или другой органической жидкостью, способной эффективно разделять фуллерены и другие углеродсодержащие компоненты. Образовавшуюся взвесь фильтруют или отгоняют на центрифуге, а оставшийся раствор выпаривают до выделения темного мелкодисперсного осадка, представляющего собой смесь фуллеренов: мелких кристаллов (фуллериты) из Сво и Сто и кристаллов Сео/С,о, которые являются твердыми растворами.
Кроме них в осадке всегда содержится небольшое количество высших фуллеренов (до 3%). Разделение смеси фуллеренов на индивидуальные молекулярные фракции производят с помощью жидкостной хроматографии на колонках и жидкостной хроматографии высокого давления. Последняя нужна главным образом для анализа чистоты выделенных фуллеренов с точностью до 0,01%. На завершающем этапе производят окончательное удаление из фуллеренов ранее использованных жидкостей путем термообработки при 150 — 250 'С в условиях динамического вакуума (около 0,1 Торр).
Выделенные таким образом фуллерены применяют для создания металлофуллереновых пленок (можно термическим соиспарением в вакууме, так как фуллерены начинают сублимировать без разложения при температурах порядка 400 'С) или для получения объемных фуллеренсодержаших композиций. Присоединение к С~ радикалов, содержащих металлы платиновой группы, позволяет получить ферромагнитные материалы с привлекательными свойствами.
Более трети элементов Периодической системы могут быть помещены внутрь молекулы Сев, что позволяет изменять ее свойства в широких пределах. 196 Гл а на 2. Методы форму ванна нанозлектронных структур Фуллерены отличаются высокой температурной стабильностью. Так фуллерен Сев в инертной атмосфере сохраняет свою структуру вплоть до температур порядка 1400 'С. Однако в присутствии кислорода он быстро окисляется уже при 200 'С с образованием СО и СО,. Между тем, энергия присоединения атома кислорода к молекуле С„составляет около 90 икал/моль, что примерно вдвое превышает соответствующее значение для графита.
При комнатной температуре окисление происходит при облучении фотонами с энергией 0,55 эВ. Под действием ультрафиолетового излучения фуллерены полимеризуются, поэтому их необходимо хранить в темноте. Фуллериты и фуллереновые пленки обладают полупроводниковыми свойствами. Ширина запрещенной зоны составляет 1,2 — 1,9 эВ. При облучении видимым светом их электрическое сопротивление уменьшается. Пленки из Сев, легированные калием, обладают сверхпроводящими свойствами при температуре ниже 19 К. Разнообразие физико-химических и структурных свойств фуллеренов и соединений на их основе позволяет говорить о химии фуллеренов как о новом перспективном направлении органической химии.
На основе фуллеренов синтезировано более трех тысяч новых соединений. Область применения этих материалов постоянно расширяется. Однако в электронике их использование пока не вышло за пределы лабораторного опробования фуллеренсодержащих материалов для фотолитографических процессов. Преобладающая часть прикладных научных исследований связана с химией фуллеренов. Фуллерены перспективны в качестве основы оптических затворов — ограничителей интенсивности лазерного излучения видимого и ближнего инфракрасного диапазонов, как исходный материал для получения алмазных пленок, в качестве основы для производства аккумуляторных батарей.
Кроме этого, водорастворимые нетоксичные соединения фуллеренов находят применение в биологии, медицине и фармакологии. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Каковы низкоразмерные формы углеродных структур? 2. Что такое графен? 3. Как получают графен? 4. Какими основными свойствами обладает графен? 5. От чего зависят электронные свойства графеновых лент? 25. Формирование и свойства новост унт и ваннмсматериавов 197 6. Что такое углеродная нанотрубка и какими параметрами структуры она характеризуется? 7. Какими электронными свойствами обладают одностенные углеродные нанотрубки? 8. Каковы электронные свойства многостенных углеродных нанотрубок? 9.
Какие методы используют для получения углеродных нанотрубок? 1О. Что такое фуллерены? 11. Какой из фуллеренов обладает наивысшей симметрией и большей стабильностью? 12. Какими основными свойствами обладают фуллерены? 13. Что такое эндоэдральные и экзоэдральные фуллерены, гетерофуллерены? 14. Как получают фуллерены? ! 5. Что такое фуллерит? ГЛАВА ПЕРЕНОС НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В НИЗКОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУРАХ И ПРИБОРЫ НА ИХ ОСНОВЕ Закономерности переноса носителей заряда в твердотельных структурах определяют принципиальные варианты конструкции различных электронных и оптоэлектронных приборов на их основе. В этом отношении низкоразмерные структуры — не исключение.
Принимая во внимание тот факт, что основными элементами любой низкоразмерной структуры являются формирующие ее потенциальные барьеры, целесообразно рассмотреть две основные возможности переноса носителей заряда, а именно — вдоль потенциальных барьеров и перпендикулярно им. Очевидно, что в первом случае доминирующую роль будут играть процессы взаимодействия движущихся носителей заряда между собой, с кристаллической решеткой материала данной структуры и с ее дефектами.
Во втором же случае перенос носителей заряда возможен только посредством туннелирования через потенциальные барьеры. Возникающие в обоих случаях специфические явления и основанные на них наноэлектронные приборы рассмотрены в данной главе. Отдельно обсуждаются явления и приборы, использующие для обработки информации спин электрона. 3.1. ТРАНСПОРТ НОСИТЕЛЕК ЗАРЯДА ВДОЛЬ ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ БАРЬЕРОВ Транспорту носителей заряда в низкоразмерных структурах сопутствует множество интересных явлений, которые являются совершенно новыми по сравнению с поведением носителей заряда в макроскопическнх системах. В явном виде они проявляются, когда размеры структур становятся меньше длины фазовой когерентности электрона, которая представляет собой расстояние, проходимое электроном между двумя последовательными актами его рассеяния на фононах, примесных атомах или других неоднородностях мате- 3. Д Транспорт носителей заряда вдоль потенциальных барнс в 199 риала, что приводит к изменению фазы электронной волны.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
